KR101733884B1 - 3d 프린터 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 3D 프린터는 용융된 액체 상태의 원료액을 사용하여 디자인된 조형물을 만드는 3D 프린터로서, 상기 3D 프린터는 압출기 몸체(100)와, 상기 압출기 몸체의 상부에 설치되고 프린팅 소재가 투입되는 수용기(110)와, 상기 압출기 몸체의 하단부에 설치되고 프린팅 소재를 토출하는 노즐(120)과, 상기 압출기를 X-Y 방향으로 이동시키는 LM 가이드(200)와, Z 방향으로 이동되는 베드(300)와, 상기 원료액을 냉각하여 고형화시키는 온도 조절장치(400)를 포함하여 이루어진다.
한편, 상기 온도 조절장치는 제1 냉각기와 제2 냉각기를 포함하여 이루어지고, 상기 제1 냉각기는 압출기 몸체의 외면과 베드를 냉각시키며, 상기 제2 냉각기는 압출기의 하단부에 설치된 노즐의 외면을 냉각시키도록 구성된다.

Description

3D 프린터{3D PRINTER}

본 발명은 3D 프린터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 프린팅 재료로서 용융된 액체 상태의 원료액을 냉각하여 프린팅하는 3D 프린터에 대한 것이다.

일반적으로, 3D 프린터란 입체로 디자인된 형상을 플라스틱, 금속, 세라믹 등 각종 소재를 층층이 쌍아 제조하는 장치를 말한다. 3D 프린터는 소재를 출력하는 방식에 따라 구분되는데, 고체인 팰렛으로 된 소재를 레이저로 소결하는 SLS(Selective Laser Sintering) 방식, 빛으로 소재를 굳히는 SLA(Stereolithography) 방식, 필라멘트를 용융하는 FFF(Fused Filament Fabrication) 방식이 있다.

이들 방식 중에서 FFF 방식을 이용한 3D 프린터는 X-Y축으로 이동하는 이송 헤드와, 이 이송 헤드에 장착되는 압출기와, Z축으로 이동하는 베드를 포함하여 구성되고, 상기 압출기는 필라멘트가 공급된다. FFF 방식은 필라멘트를 토출시켜 베드의 바닥에서부터 순차적으로 적층하면서 디자인된 형성을 조형한다.

상기 필라멘트는 일정한 직경을 갖으며, 공급릴에 감겨지는데, 상기 이송 헤드에 장착된 한 쌍의 드라이버 휠(Drive Wheel)로부터 가이드되어 압출기로 공급된다. 압출기에 형성된 노즐로부터 토출되는 용융된 필라멘트는 베드의 상부에 순차적으로 적층된다. 이 방식에서 사용하는 필라멘트는 주로 열가소성 재료인 ABS 또는 PLA 등이며, 이들 재료는 통상 리지드(rigid)한 형태를 갖는다.

이와 같이, 종래 방식을 사용하는 프린팅 재료는 주로 리지드한 고체를 소재로 사용하고 있으나, 액체를 소재로서 사용하지는 못하다.

대한민국 등록특허공보 제10-1441030호

본 발명은 용융된 액체 상태의 원료액을 사용하여 디자인된 조형물을 만들 수 있는 3D 프린터를 제공하려는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 해결하고자 하는 과제는 언급한 과제로 제한되지 않는다. 언급하지 않은 다른 기술적 과제들은 이하의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명에 따른 3D 프린터는 용융된 액체 상태의 원료액을 사용하여 디자인된 조형물을 만드는 3D 프린터로서, 상기 3D 프린터는 압출기 몸체(100)와, 상기 압출기 몸체의 상부에 설치되고 프린팅 소재가 투입되는 수용기(110)와, 상기 압출기 몸체의 하단부에 설치되고 프린팅 소재를 토출하는 노즐(120)과, 상기 압출기를 X-Y 방향으로 이동시키는 LM 가이드(200)와, Z 방향으로 이동되는 베드(300)와, 상기 원료액을 냉각하여 고형화시키는 온도 조절장치(400)를 포함하여 이루어진다.

한편, 상기 온도 조절장치는 제1 냉각기와 제2 냉각기를 포함하여 이루어지고, 상기 제1 냉각기는 압출기 몸체의 외면과 베드를 냉각시키며, 상기 제2 냉각기는 압출기의 하단부에 설치된 노즐의 외면을 냉각시키도록 구성된다.

한편, 상기 온도 조절장치는 압출기 몸체의 외면과 베드를 냉각하는 제1 냉각기(431)와, 압출기 노즐의 외면을 냉각하는 제2 냉각기(432)와, 압출기 몸체의 외면에 설치되어 있는 제1 온도센서(421)와, 압출기 노즐의 외면에 설치되어 있는 제2 온도센서(422)와, 제1 온도센서와 제2 온도센서로부터 출력된 온도에 기초하여 제1 냉각기와 제2 냉각기를 구동하는 온도 제어부(410)를 포함하여 이루어진다.

한편, 상기 제1 냉각기와 제1 냉각 파이프 사이에는 제1 메인 연결파이프(431C-M)와 제1 보조 연결파이프(431C-1)가 연이어 설치되고, 상기 제1 메인 연결파이프와 제1 보조 연결파이프가 연결된 부분에는 제3 보조 연결파이프(431C-3)가 설치되며, 상기 제3 보조 연결파이프는 제3 냉각 파이프와 연결되고, 상기 제2 냉각기와 제2 냉각 파이프 사이에는 제2 메인 연결파이프(432C-M)가 설치된다.

여기서, 상기 용융된 액체 상태의 원료액은 비누 원료액일 수 있다.

본 발명에 따른 3D 프린터는 가열하여 용융시킨 원료를 냉각하여 디지인된 조형물을 만들 수 있다.

또한 온도 조절장치의 온도 제어부는 온도센서로부터 검출된 온도에 기초하여 냉각기를 구동하고, 이에 따라 압출기의 몸체, 압출기의 노즐, 및 베드의 온도를 정밀하게 제어할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 3D 프린터의 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 3D 프린터의 일부분에 대한 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따른 온도 조절장치를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 온도 제어를 나타낸 것이다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 그리고 첨부한 도면은 설명의 편의를 위해 다소 과장되거나, 간략화되거나, 일부의 구성요소를 생략하여 도시될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 3D 프린터의 사시도이다.

본 발명에 따른 3D 프린터는 압출기 몸체(100)와, 상기 압출기 몸체의 상부에 설치되고 프린팅 소재가 투입되는 수용기(110)와, 상기 압출기 몸체의 하단부에 설치되고 프린팅 소재를 토출하는 노즐(120)과, 상기 압출기를 X-Y 방향으로 이동시키는 LM 가이드(200)와, Z 방향으로 이동되는 베드(300)를 포함한다.

도면에서 보듯, 압출기의 상단에 설치된 수용기는 프린팅 조형을 위한 액체 상태의 혼합액이 투입될 수 있다. 상기 수용기의 상부는 혼합액이 투입되는 주입구가 구비되어 있고, 수용기의 하부는 혼합액이 쉽게 압출기 몸체 내부로 이동될 수 있도록 상부가 넓고 하부가 좁은 깔대기 형상을 갖는다.

이후에 설명하겠지만, 상기 수용기와 압출기 몸체 사이에는 온도 제어부에 의해 작동되는 개폐판이 설치될 수 있다. 상기 개폐판의 개폐에 따라 혼합액이 압출기 몸체 내부의 스크류로 흘러 들어가게 된다.

한편, 본 발명에 따른 3D 프린터는 온도 조절장치(400)가 더욱 구비된다. 상기 온도 조절장치는 냉각기, 온도센서, 및 온도제어부를 포함하여 이루어진다. 도면을 참조하면, 압출기의 일측에는 제1 냉각기(431)가 설치되어 있고, 압출기의 타측에는 제2 냉각기(432)가 설치되어 있다. 상기 제1 냉각기는 압출기 몸체의 외면과 베드를 냉각시키며, 상기 제2 냉각기는 압출기의 하단부에 설치된 노즐의 외면을 냉각시킨다.

도 2는 본 발명에 따른 3D 프린터의 개략도이다.

본 발명에 따른 압출기는 압출기 몸체의 내부에 스크류가 설치되어 있고, 스크류의 회전에 따라 프린팅 재료인 혼합액이 노즐로 이동된다.

본 발명에 따른 프린팅 소재는 액체가 사용된다. 예컨대, 비누, 초콜렛와 같은 액체가 투입될 수 있다. 일반적인 3D 프린터는 생활하는데 일상적인 온도(상온)에서 프린팅이 이루어지므로, 필라멘트와 같은 고체가 사용되나, 본 발명에서는 상기 일상 온도에서 가열되었을 때 액체가 되는 재료가 사용된다. 예컨대, 가열된 비누 재료, 초콜렛 재료가 사용될 수 있다.

참고로, 비누의 제조방법을 간단히 설명하면, 먼저 비누 베이스를 일정한 크기로 잘라서, 그릇에 넣고 온도 80~90℃로 가열하여 용융시킨다. 이어서, 용융된 비누 베이스에 오일과 글리세린을 함께 넣어 교반하고, 준비된 모양의 틀에 부어 고형화한 다음 비누를 완성하게 된다.

이와 같이, 비누를 제조하는 과정을 살펴보면, 프린터에 뜨거운 비누 혼합액을 틀에 부어 원하는 형상의 비누를 제조하고 실온에서 서서히 굳히게 된다. 따라서 기존의 롤에 감겨진 필라멘트 형상의 프린팅 재료를 사용하는 것과는 차이가 있다.

본 발명에서는 가열된 혼합액을 수용기에 투입된다. 이렇게 투입된 혼합액은 압출기 몸체 내부를 통과하면서 냉각되고, 최종적으로 노즐로 토출될 때에는 반고체 상태가 되어 토출된다.

한편, 압출기의 일측에 설치된 제1 냉각기와 제2 냉각기는 온도조절기의 제어에 의해 온도가 조절된다. 도면을 참조하면, 압출기 몸체의 외면에는 제1 냉각 파이프(431-1)가 감겨져 있고, 노즐의 외면에는 제2 냉각 파이프(432-1)가 감겨져 있다. 또한 압출기 몸체의 외면 일측에는 제1 온도센서(421)가 설치되어 있으며, 압출기 노즐의 외면에는 제2 온도센서(422)가 설치되어 있다. 또한 베드(300)의 하측에는 제3 냉각 파이프(431-3)가 설치되어 있다.

상기 제1 온도센서와 제2 온도센서는 각각 압출기 몸체와 노즐의 온도를 검출한다. 그리고 냉각 파이프의 내부에는 냉매가 흐르게 되며, 이와 같은 흐름에 따라 압출기 몸체와 노즐을 냉각시킨다.

도 3은 본 발명에 따른 온도 조절장치를 나타낸 것이다.

본 발명에 따른 온도 조절장치는 압출기 몸체의 외면과 베드를 냉각하는 제1 냉각기(431)와, 압출기 노즐의 외면을 냉각하는 제2 냉각기(432)와, 압출기 몸체의 외면에 설치되어 있는 제1 온도센서(421)와, 압출기 노즐의 외면에 설치되어 있는 제2 온도센서(422)와, 제1 온도센서와 제2 온도센서로부터 출력된 온도에 기초하여 제1 냉각기와 제2 냉각기를 구동하는 온도 제어부(410)를 포함하여 이루어진다.

상기 제1 냉각기와 제1 냉각 파이프 사이에는 제1 메인 연결파이프(431C-M)와 제1 보조 연결파이프(431C-1)가 연이어 설치되어 있다. 또한 제1 메인 연결파이프와 제1 보조 연결파이프가 연결된 부분에는 제3 보조 연결파이프(431C-3)가 설치되어 있어, 제3 보조 연결파이프는 제3 냉각 파이프와 연결된다.

상기 제1-1 보조 연결파이프에는 제1 밸브(V1)가 설치되어 압출기 몸체로 이동되는 냉매의 흐름을 제어한다. 또한 제3 보조 연결파이프에는 제3 밸브(V3)가 설치되어 베드로 이동되는 냉매의 흐름을 제어한다.

또한, 제2 냉각기와 제2 냉각 파이프 사이에는 제2 메인 연결파이프(432C-M)가 설치되어 있고, 상기 제2 메인 연결파이프에는 제2 밸브(V2)가 설치되어 있다.

상기 제1 밸브, 제3 밸브, 및 제2 밸브는 온도 제어부의 밸브 구동부의 신호에 의해 밸브의 개폐가 이루어진다.

온도 조절장치의 온도 제어부는 온도센서로부터 검출된 온도에 기초하여 냉각기를 구동하고, 이에 따라 압출기의 몸체, 압출기의 노즐, 및 베드의 온도를 정밀하게 제어할 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 온도 제어를 나타낸 것이다.

먼저, 제1 밸브를 개방하면 제1 냉각기로부터 제1 메인 연결파이프로 냉매가 이동되고 제1 냉각 파이프가 감겨진 압출기 몸체의 외면을 냉각한다. 이와 동시에, 상기 압출기 몸체의 외면에 설치된 제1 온도센서로부터 제1 온도를 검출한다.

온도 제어부에는 설정 온도가 저장되어 있다. 상기 설정 온도와 검출된 제1 온도를 비교하여, 제1 온도가 설정 온도와 동일한지를 판단한다. 만약 제1 온도가 설정온도와 동일하게 형성되면, 다시 제1 밸브를 폐쇄하여 냉매의 이동을 중지한다. 상기 제1 밸브의 폐쇄에 따라 제1 온도는 설정온도 보다 높은 온도로 점차적으로 상승하게 된다.

이어서, 점차적으로 상승한 온도는 구동온도에 이르게 된다. 상기 제1 온도센서로부터 검출된 온도가 구동온도에 이르게 되면 상기 제1 밸브와 제3 밸브를 개방하여 상기 압출기 몸체와 베드를 냉각한다.

상기 설정온도는 구동온도 보다 낮게 설정된다. 이는 압출기의 내부에 구비되는 스크류를 충분히 냉각하기 위함이다. 스크류는 회전하는 구성이므로, 직접적으로 냉각시키기는 어렵다. 압출기 몸체의 내부에는 스크류가 구비되어 있으므로, 압출기 몸체를 냉각하면 서서히 스크류가 냉각된다. 이후, 냉각을 멈추면, 압출기 몸체는 구동온도에 도달하게 된다. 이에 따라 스크류와 압출기 몸체의 내면 사이에 이동하는 혼합액은 쉽게 냉각이 이루어질 수 있는 이점이 있다.

한편, 상기 압출기 몸체와 스크류 사이에서 하강하면서 이동되는 혼합액(원료액)은 냉각되면서 점도가 낮아진다. 그러나 외부의 온도 변화 등 여러 가지 이유로 상기 압출기의 노즐에서 토출되는 혼합액은 정확한 구동온도에 이르지 못할 수도 있다.

상기 제1 냉각기의 구동에 따라 최종적으로 노즐로부터 토출되는 혼합액을 냉각하여 조형온도에 이르게 된다. 상기 조형온도는 구동온도보다 낮게 설정된다. 조형온도를 갖는 혼합액은 노즐로부터 토출될 때 조형이 원활하게 이루어질 수 있도록 충분히 굳게 된다. 다시 말하면, 구동온도는 압출기 내부에서 이동할 수 있을 정도의 고형화를 말하며, 조형온도는 노츨로부터 토출될 때 충분히 굳기를 갖는 고형화를 말한다.

본 발명에서는 냉매에 의한 냉각 방식으로 하였으나, 보다 정밀한 온도 제어를 위해 팰티어 소자를 이용한 냉각을 채용할 수 있다.

이상, 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

100 : 압출기 몸체
110 : 수용기
120 : 노즐
200 : LM 가이드
300 : 베드
400 : 온도조절장치
421 : 제1 온도센서
422 : 제2 온도센서
431 : 제1 냉각기
431-1 : 제1 냉각 파이프
431-3 : 제3 냉각 파이프
432 : 제2 냉각기
432-1 : 제2 냉각 파이프
431C-M : 제1 메인 연결파이프
431C-1 : 제1 보조 연결파이프
431C-3 : 제3 보조 연결파이프
432C-M : 제2 메인 연결파이프
V1, V2, V3 : 제1, 제2, 제3 밸브

Claims (5)

1. 용융된 액체 상태의 원료액을 사용하여 디자인된 조형물을 만드는 3D 프린터로서,
   상기 3D 프린터는 압출기 몸체(100)와, 상기 압출기 몸체의 상부에 설치되고 프린팅 소재가 투입되는 수용기(110)와, 상기 압출기 몸체의 하단부에 설치되고 프린팅 소재를 토출하는 노즐(120)과, 상기 압출기를 X-Y 방향으로 이동시키는 LM 가이드(200)와, Z 방향으로 이동되는 베드(300)와, 상기 원료액을 냉각하여 고형화시키는 온도 조절장치(400)를 포함하여 이루어지고,
   상기 온도 조절장치(400)는 압출기 몸체의 외면과 베드를 냉각하는 제1 냉각기(431)와, 압출기 노즐의 외면을 냉각하는 제2 냉각기(432)와, 압출기 몸체의 외면에 설치되어 있는 제1 온도센서(421)와, 압출기 노즐의 외면에 설치되어 있는 제2 온도센서(422)와, 제1 온도센서와 제2 온도센서로부터 출력된 온도에 기초하여 제1 냉각기와 제2 냉각기를 구동하는 온도 제어부(410)를 포함하여 이루어지고,
   상기 제1 냉각기와 제1 냉각 파이프 사이에는 제1 메인 연결파이프(431C-M)와 제1 보조 연결파이프(431C-1)가 연이어 설치되고, 상기 제1 메인 연결파이프와 제1 보조 연결파이프가 연결된 부분에는 제3 보조 연결파이프(431C-3)가 설치되며, 상기 제3 보조 연결파이프는 제3 냉각 파이프와 연결되고, 상기 제2 냉각기와 제2 냉각 파이프 사이에는 제2 메인 연결파이프(432C-M)가 설치되고,
   상기 제1 보조 연결파이프에는 제1 밸브가 설치되며, 제1 밸브는 압출기의 몸체로 이동되는 냉매의 흐름을 제어하며, 제2 보조 연결 파이프에는 제2 밸브가 설치되어 베드로 이동되는 냉매의 흐름을 제어하고, 제3 보조 연결 파이프에는 제3 밸브가 설치되어 베드로 이동되는 냉매의 흐름을 제어하도록 구성하고,
   상기 제1 밸브를 개방하면, 제1 냉각기로부터 제1 메인 연결파이프로 냉매가 이동되고 제1 냉각 파이프가 감겨진 압출기 몸체의 외면을 냉각하며, 이와 동시에, 상기 압출기 몸체의 외면에 설치된 제1 온도센서로부터 제1 온도를 검출하고, 온도 제어부가 기 설정된 온도와 검출된 제1 온도를 비교하여, 제1 온도가 설정 온도와 동일한지를 판단하고, 제1 온도가 설정온도와 동일하게 형성되면, 다시 제1 밸브를 폐쇄하여 냉매의 이동을 중지하고, 상기 제1 밸브의 폐쇄에 따라 제1 온도가 설정온도 보다 높은 온도로 점차적으로 상승하게 되며, 이어서 점차적으로 상승한 온도는 구동온도에 이르게 되며, 제1 온도센서로부터 검출된 온도가 구동온도에 이르게 되면 상기 제1 밸브와 제3 밸브를 개방하여 상기 압출기 몸체와 베드를 냉각하도록 구성하며, 상기 용융된 액체 상태의 원료액은 비누 원료액인 것을 특징으로 하는 3D 프린터.
   
   
   
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